Углерод, как химический элемент

Углерод, шестой по распространенности элемент во Вселенной, известен с древних времен. Чаще всего углерод добывают из угольных месторождений, хотя обычно его приходится перерабатывать в форму, пригодную для коммерческого использования.

В природе известны три аллотропа углерода: аморфный, графит и алмаз.

Аморфный углерод образуется при сгорании материала, содержащего углерод, без достаточного количества кислорода для его полного сгорания. Эта черная сажа, известная также как ламповая сажа, газовая сажа, канальная сажа или технический углерод, используется для изготовления чернил, красок и резиновых изделий. Она также может быть спрессована в формы и используется, в частности, для изготовления сердечников большинства сухих батарей.

Графит, один из самых мягких известных материалов, представляет собой разновидность углерода, который в основном используется в качестве смазочного материала. Хотя он встречается в природе, большинство коммерческих графитов производится путем обработки нефтяного кокса, черного смоляного остатка, остающегося после переработки сырой нефти, в бескислородной печи. Графит в природе встречается в двух формах — альфа и бета. Эти две формы имеют одинаковые физические свойства, но разную кристаллическую структуру. Весь искусственно произведенный графит относится к альфа-типу. Помимо использования в качестве смазочного материала, графит в форме, известной как кокс, в больших количествах применяется в производстве стали. Кокс получают путем нагревания мягкого угля в печи без доступа кислорода. Хотя черный материал, используемый в карандашах, обычно называют свинцом, на самом деле это графит.

Алмаз, третья встречающаяся в природе форма углерода, является одним из самых твердых известных веществ. Хотя алмаз природного происхождения обычно используется для изготовления ювелирных изделий, большинство алмазов коммерческого качества получают искусственным путем. Эти небольшие алмазы производятся путем сдавливания графита при высоких температурах и давлении в течение нескольких дней или недель и используются в основном для изготовления таких вещей, как пильные диски с алмазными наконечниками. Хотя они обладают совершенно разными физическими свойствами, графит и алмаз отличаются только кристаллической структурой.

Четвертый аллотроп углерода, известный как белый углерод, был получен в 1969 году. Это прозрачный материал, способный разделять один луч света на два луча, что называется двулучепреломлением. Недавно были открыты большие молекулы, состоящие только из углерода, известные как бакминстерфуллерены, или баксиболы, и в настоящее время они представляют большой научный интерес. Один баксибол состоит из 60 или 70 атомов углерода (C60 или C70), связанных между собой в структуру, напоминающую футбольный мяч. Они могут удерживать другие атомы в своей структуре, способны выдерживать большое давление, обладают магнитными и сверхпроводящими свойствами.

Углерод-14, радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5 730 лет, используется для определения возраста ранее живых существ с помощью процесса, известного как радиоуглеродное датирование. Теория, лежащая в основе углеродного датирования, довольно проста. Ученые знают, что небольшое количество встречающегося в природе углерода — это углерод-14. Хотя углерод-14 распадается на азот-14 в результате бета-распада, количество углерода-14 в окружающей среде остается постоянным, поскольку в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей постоянно образуется новый углерод-14. Живые существа склонны поглощать материалы, содержащие углерод, поэтому процентное содержание углерода-14 в живых организмах совпадает с процентным содержанием углерода-14 в окружающей среде. Когда организм умирает, он больше ничего не поглощает. Углерод-14 в организме больше не восполняется, и процентное содержание углерода-14 начинает уменьшаться по мере его распада. Измерив процентное содержание углерода-14 в останках организма и предположив, что естественная концентрация углерода-14 остается неизменной с течением времени, ученые могут определить, когда этот организм умер. Например, если концентрация углерода-14 в останках организма составляет половину от естественной концентрации углерода-14, ученый может предположить, что организм умер примерно 5 730 лет назад — период полураспада углерода-14.

Известно около десяти миллионов соединений углерода, и их изучению посвящена целая отрасль химии, известная как органическая химия. Многие соединения углерода необходимы для жизни в том виде, в котором мы ее знаем.

К наиболее распространенным соединениям углерода относятся: диоксид углерода, монооксид углерода, дисульфид углерода, хлороформ, четыреххлористый углерод, метан, этилен, ацетилен, бензол, этиловый спирт и уксусная кислота.